Summary

Epon Post Embedding Correlative Light e Microscopia Eletrônica

Published: January 12, 2024
doi:

Summary

Apresentamos um protocolo detalhado para microscopia eletrônica e de luz correlativa pós-incorporação de Epon usando uma proteína fluorescente chamada mScarlet. Este método pode manter a fluorescência e a ultraestrutura simultaneamente. Esta técnica é passível de uma ampla variedade de aplicações biológicas.

Abstract

A microscopia correlativa de luz e eletrônica (CLEM) é uma microscopia abrangente que combina as informações de localização fornecidas pela microscopia de fluorescência (FM) e o contexto da ultraestrutura celular adquirida pela microscopia eletrônica (ME). CLEM é um trade-off entre fluorescência e ultraestrutura e, geralmente, a ultraestrutura compromete a fluorescência. Em comparação com outras resinas de incorporação hidrofílica, como metacrilato de glicidila, HM20 ou K4M, Epon é superior em propriedades de preservação e seccionamento de ultraestrutura. Anteriormente, demonstramos que o mEosEM pode sobreviver à fixação de tetróxido de ósmio e à incorporação de Epon. Usando o mEosEM, conseguimos, pela primeira vez, o Epon pós-incorporação CLEM, que mantém a fluorescência e a ultraestrutura simultaneamente. Aqui, fornecemos detalhes passo a passo sobre a preparação da amostra EM, a imagem FM, a imagem EM e o alinhamento da imagem. Também aprimoramos os procedimentos de identificação da mesma célula por imagem de FM durante a imagem de EM e detalhamos o registro entre as imagens de FM e EM. Acreditamos que se pode facilmente obter Epon pós-incorporação de microscopia correlativa de luz e eletrônica seguindo este novo protocolo em instalações tradicionais de EM.

Introduction

A microscopia de fluorescência (FM) pode ser usada para obter a localização e distribuição da proteína-alvo. No entanto, o contexto que envolve a proteína-alvo é perdido, o que é crucial para investigar a proteína alvo completamente. A microscopia eletrônica (ME) tem a mais alta resolução de imagem, fornecendo vários detalhes subcelulares. No entanto, a EM carece de rotulagem de alvo. Ao mesclar com precisão a imagem de fluorescência obtida por FM com a imagem cinza adquirida por EM, a microscopia correlativa de luz e eletrônica (CLEM) pode combinar as informações obtidas por esses dois modos de imagem 1,2,3,4.

CLEM é um trade-off entre fluorescência e ultraestrutura1. Devido às limitações das proteínas fluorescentes atuais e aos procedimentos tradicionais de preparação de amostras de EM, especialmente o uso de ácido ósmico (OsO4) e resinas hidrofóbicas como o Epon, a ultraestrutura sempre compromete a fluorescência5. OsO4 é um reagente indispensável na preparação de amostras de EM, que é usado para melhorar o contraste de imagens EM. Comparado com outras resinas incorporadoras, o Epon é superior em propriedades de preservação e seccionamento ultraestrutural5. No entanto, nenhuma proteína fluorescente pode reter o sinal de fluorescência após o tratamento de OsO4 e incorporação de Epon6. Para superar as limitações das proteínas fluorescentes, foi desenvolvido o CLEM pré-incorporação, no qual a imagem de FM é feita antes do preparo da amostra deEM6. No entanto, a desvantagem da pré-incorporação do CLEM é o registro impreciso entre as imagens FM e EM5.

Ao contrário, o método CLEM pós-incorporação realiza a imagem de FM após o preparo da amostra EM, cuja precisão de registro pode chegar a 6-7 nm 5,6. Para reter a fluorescência das proteínas fluorescentes, concentrações muito baixas de OsO4 (0,001%)3 ou os métodos de preparação de EM4,7 congelados a alta pressão (HPF) e substituição por congelamento (FS)4,7 têm sido usados às custas do comprometimento da ultraestrutura ou do contraste da imagem EM. O desenvolvimento de mEos4b promove grandemente o progresso do CLEM pós-incorporação, embora o metacrilato de glicidila seja usado como resina de incorporação5. Com o desenvolvimento do mEosEM, que pode sobreviver à coloração OsO4 e à incorporação de Epon, a super-resolução CLEM pós-incorporação pós-Epon foi alcançada pela primeira vez, mantendo a fluorescência e a ultraestruturasimultaneamente6. Após o mEosEM, várias proteínas fluorescentes que podem sobreviver à coloração de OsO4 e à incorporação de Epon foram desenvolvidas 8,9,10,11. Isso promove muito o desenvolvimento do CLEM.

Há três aspectos fundamentais para o CLEM pós-incorporação do Epon. A primeira é a proteína fluorescente, que deve manter o sinal fluorescente após o preparo da amostra EM. De acordo com nossa experiência, mScarlet é superior a outras proteínas fluorescentes relatadas. A segunda é como encontrar a mesma célula fotografada por imagem FM em imagens EM. Para resolver esse problema, melhoramos o procedimento para essa etapa para que se possa encontrar prontamente a célula alvo. O último é o método para alinhar a imagem FM com a imagem EM. Aqui, detalhamos o registro entre as imagens FM e EM. Neste protocolo, expressamos mScarlet em neurônios VGLUT2 e demonstramos que mScarlet pode ter como alvo lisossomos secundários usando Epon pós-incorporação CLEM. Fornecemos detalhes passo a passo para o CLEM pós-incorporação da Epon, sem comprometer a fluorescência e a ultraestrutura.

Protocol

A criação de animais e os experimentos foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais do Fujian Medical University Medical Center. O fluxo de trabalho passo a passo do protocolo atual é mostrado na Figura 1. 1. Preparação da amostra Cérebro de camundongoCompre camundongos transgênicos (veja Tabela de Materiais) e primers de oligonucleotídeos (veja Tabela de Materiais</stro…

Representative Results

Relatos anteriores demonstraram que o mScarlet pode atingir o lisossomo15. Neste protocolo, AAV expressando mScarlet (rAAV-hSyn-DIO-mScarlet-WPRE-pA) foi injetado no M1 (ML: ±1,2 AP: +1,3 DV: -1,5) do cérebro de camundongos Vglut2-ires-cre usando instrumentos estereotáxicos. Seguindo o protocolo descrito acima, a imagem final correlacionada é mostrada na Figura 4A. A imagem FM pode ser alinhada com precisão com a imagem EM usando nanopartículas …

Discussion

O protocolo aqui apresentado é um método de imagem versátil, que pode combinar as informações de localização da proteína-alvo da microscopia de luz (LM) e o contexto em torno da proteína-alvo da microscopia eletrônica (ME)6. Com as limitações das proteínas fluorescentes atuais, o método amplamente utilizado é a pré-incorporação de microscopia eletrônica e de luz correlativa (CLEM), o que significa que a imagem de LM é feita antes da preparação da amostra EM. Quase todas as pr…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este projeto foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (32201235 a Zhifei Fu), a Fundação de Ciências Naturais da Província de Fujian, China (2022J01287 a Zhifei Fu), a Fundação de Pesquisa para Talentos Avançados da Universidade Médica de Fujian, China (XRCZX2021013 a Zhifei Fu), a Fundação de Ciências Especiais de Finanças da Província de Fujian, China (22SCZZX002 a Zhifei Fu), Fundação do NHC Key Laboratory of Technical Evaluation of Fertility Regulation for Non-human Primate, e Fujian Maternity and Child Health Hospital (2022-NHP-04 para Zhifei Fu). Agradecemos a Linying Zhou, Minxia Wu, Xi Lin e Yan Hu no Centro de Serviços de Tecnologia Pública, Fujian Medical University pelo apoio com a preparação de amostras EM e imagens EM.

Materials

0.2 M Phosphate Buffer (PB) NaH2PO4 · 2H2O+Na2HPO4 · 12H2O
0.2 M Tris-Cl (pH 8.5) Shanghai yuanye Bio-Technology R26284
25% Glutaraldehyde (GA) Alfa Aesar A17876 Hazardous chemical
Abbelight 3D Nanolnsights
Acetone SCR 10000418
Ammonium hydroxide J&K Scientific 335213
BioPhotometer D30 eppendorf
Cleaning buffer of cover glasses 50 mL Ammonium hydroxide, 50 mL Hydrogen peroxide, 250 mL H2O
Coverglass Warner 64-0715
DABCO  Sigma 290734 Hazardous chemical
DDSA SPI company GS02827 Hazardous chemical
Desktop centrifuge WIGGENS MINICEN 10E
Diamond knife DiATOME MX6353
DMP-30 SPI company GS02823 Hazardous chemical
DNA transfection reagent Thermo Fisher  2696953 Lipofectamine 3000 Transfection Kit
Epon 812  SPI company GS02659 Hazardous chemical
Ethanol SCR 10009218
Fiji image J National Institutes of Health
Fixative solution  4% PFA+0.25% GA+0.02 M PB
Formvar Sigma 9823
Glycerol SCR 10010618
Gold nanoparticles Corpuscular 790120-010
Gradient resin Acetone to resin 3:1, 1:1, 1:3
Hydrofluoric acid SCR 10011118
Hydrogen peroxide SCR 10011218
ICY (https://icy.bioimageanalysis.org/about/) Easy CLEMv0 Plugin
Imaging chamber Thermo Fisher  A7816
Large gelatin capsules Electron Microscopy Sciences 70117
Mounting buffer Mowiol 4-88, Glycerol, 0.2 M Tris-Cl (pH 8.5), DABCO
Mowiol 4-88 Sigma 9002-89-5
Na2HPO4 ž12H2O SCR 10020318
NaH2PO4 ž2H2O SCR 20040718
NMA SPI company GS02828 Hazardous chemical
Oligonucleotide primers Takara Biomedical Technology (Beijing) Three oligonucleotides primers were used to detect Vglut2-ires-Cre and wild-type simultaneously. The primers 5,-ATCGACCGGTAATGCAGGCAA-3, and 5,-CGGTACCACCAAATCTTACGG-3, aimed to detect Vglut2-ires-Cre. The primers  5,-CGGTACCACCAAATCTTACGG-3, and 5,-CATGGTCTGTTTTGAATTCAG-3, aimed to detect wild-type.
Oscillating microtome Leica VT1000S
Osmium tetroxide SCR L01210302 Hazardous chemical
OsO4 solution 1% Osmium tetroxide+1.5% K4Fe (CN)6·3H2O
Parafilm Amcor PM-996
Paraformaldehyde (PFA) SCR 80096618 Hazardous chemical
Perfusion buffer 4% PFA+0.1 M PB
Pioloform Sigma 63148-65-2 Hazardous chemical
Poly-L-lysine  Sigma 25986-63-0
Potassium ferrocyanide (K4Fe (CN)6·3H2O)  SCR 10016818
Scalpel blades Merck S2771
Scalpel handles Merck S2896-1EA
Stereomicroscope OLYMPUS MVX10
Transgenic mice The Jackson Laboratory Vglut2-ires-Cre mice (strain: 129S6/SvEvTac) were housed in standard conditions (25 °C, a 12 h light/dark cycle, with water and food given ad libitum. Male and Female mice were used at 2–3 months old, weight range 20-30 g.  
Transmission electron microscope (TEM) FEI TECNAL G2
UA solution (2% UA) Aqueous solution
Ultramicrotome Leica LEICA EM UC6
Uranyl acetate (UA) TED PELLA 19481 Hazardous chemical

References

  1. de Boer, P., Hoogenboom, J. P., Giepmans, B. N. Correlated light and electron microscopy: ultrastructure lights up. Nat Methods. 12 (6), 503-513 (2015).
  2. Kopek, B. G., et al. Diverse protocols for correlative super-resolution fluorescence imaging and electron microscopy of chemically fixed samples. Nat Protoc. 12 (5), 916-946 (2017).
  3. Watanabe, S., et al. Protein localization in electron micrographs using fluorescence nanoscopy. Nat Methods. 8 (1), 80-84 (2011).
  4. Johnson, E., et al. Correlative in-resin super-resolution and electron microscopy using standard fluorescent proteins. Sci Rep. 5 (1), 9583 (2015).
  5. Paez-Segala, M. G., et al. Fixation-resistant photoactivatable fluorescent proteins for CLEM. Nat Methods. 12 (3), 215-218 (2015).
  6. Fu, Z., et al. mEosEM withstands osmium staining and Epon embedding for super-resolution CLEM. Nat Methods. 17 (1), 55-58 (2020).
  7. Kukulski, W., et al. Correlated fluorescence and 3D electron microscopy with high sensitivity and spatial precision. J Cell Biol. 192 (1), 111-119 (2011).
  8. Peng, D., et al. Improved fluorescent proteins for dual-colour post-embedding CLEM. Cells. 11 (7), 1077 (2022).
  9. Campbell, B. C., Paez-Segala, M. G., Looger, L. L., Petsko, G. A., Liu, C. F. Chemically stable fluorescent proteins for advanced microscopy. Nat Methods. 19 (12), 1612-1621 (2022).
  10. Tanida, I., et al. Two-color in-resin CLEM of Epon-embedded cells using osmium resistant green and red fluorescent proteins. Sci Rep. 10 (1), 21871 (2020).
  11. Tanida, I., Kakuta, S., Oliva Trejo, J. A., Uchiyama, Y. Visualization of cytoplasmic organelles via in-resin CLEM using an osmium-resistant far-red protein. Sci Rep. 10 (1), 11314 (2020).
  12. MacManus, D. B. Excision of whole intact mouse brain. MethodsX. 10, 102246 (2023).
  13. Lu, X., et al. Preserving extracellular space for high-quality optical and ultrastructural studies of whole mammalian brains. Cell Rep Methods. 3 (7), 24 (2023).
  14. Paul-Gilloteaux, P., et al. eC-CLEM: flexible multidimensional registration software for correlative microscopies. Nat Methods. 14 (2), 102-103 (2017).
  15. Fenno, L. E., et al. Comprehensive dual- and triple-feature intersectional single-vector delivery of diverse functional payloads to cells of behaving mammals. Neuron. 107 (5), 836-853 (2020).
  16. Shcherbo, D., et al. Far-red fluorescent tags for protein imaging in living tissues. Biochem J. 418 (3), 567-574 (2009).
  17. Shen, Y., Chen, Y., Wu, J., Shaner, N. C., Campbell, R. E. Engineering of mCherry variants with long Stokes shift, red-shifted fluorescence, and low cytotoxicity. PLoS One. 12 (2), e0171257 (2017).
  18. Ai, H. W., Olenych, S. G., Wong, P., Davidson, M. W., Campbell, R. E. Hue-shifted monomeric variants of Clavularia cyan fluorescent protein: identification of the molecular determinants of color and applications in fluorescence imaging. BMC Biol. 6 (13), 1741 (2008).
  19. Ogoh, K., et al. Dual-color-emitting green fluorescent protein from the sea cactus Cavernularia obesa and its use as a pH indicator for fluorescence microscopy. Luminescence. 28 (4), 582-591 (2013).
  20. Bindels, D. S., et al. mScarlet: a bright monomeric red fluorescent protein for cellular imaging. Nat Methods. 14 (1), 53-56 (2017).
  21. Xu, P., Xu, T., Zhang, M., Fu, Z., He, W. A protocol for Epon-embedding-based correlative super-resolution light and electron microscopy. Research Square. , (2019).
  22. Johnson, E., Kaufmann, R. Preserving the photoswitching ability of standard fluorescent proteins for correlative in-resin super-resolution and electron microscopy. Methods Cell Biol. 140, 49-67 (2017).
  23. Zhou, S., et al. Liquid-liquid phase separation mediates the formation of herpesvirus assembly compartments. J Cell Biol. 222 (1), 17 (2023).
  24. Tao, C. L., et al. Differentiation and characterization of excitatory and inhibitory synapses by cryo-electron tomography and correlative microscopy. J Neurosci. 38 (6), 1493-1510 (2018).

Play Video

Cite This Article
Wang, S., Xiong, H., Chang, Q., Zhuang, X., Wu, Y., Wang, X., Wu, C., Fu, Z. Epon Post Embedding Correlative Light and Electron Microscopy. J. Vis. Exp. (203), e66141, doi:10.3791/66141 (2024).

View Video